Пространственное Разрешение Спутниковых Снимков

Пространственное разрешение космических снимков является одним из важнейших аспектов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Степень детализации изображения зависит от пространственного разрешения используемого спутника. Многие ошибочно считают, что чем детальнее спутниковый снимок, тем лучше, однако подробная детализация нужна далеко не всегда. На самом деле, необходимость высокого пространственного разрешения в значительной мере определяется поставленной задачей. Данная статья подробно рассматривает виды разрешения ДЗЗ и поможет вам обоснованно выбрать степень детализации, которая будет оптимально соответствовать потребностям вашего бизнеса.

Пространственное Разрешение Спутникового Снимка: Что Это Такое?

Простыми словами, пространственное разрешение космического снимка – это размер одного пикселя, т.е. наименьшей точки, которую способен различить спутниковый сенсор. Однако, человека, незнакомого с данной темой, такое упрощение может запутать. Дело в том, что сенсор спутника дистанционного зондирования Земли воспринимает изображение через эллиптическое мгновенное поле зрения (IFOV)^{Alvaro Valenzuela, Karin Reinke, Simon Jones. A new metric for the assessment of spatial resolution in satellite imagers, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. Volume 114, 2022, ISSN 1569-8432. https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103051.}, которое затем обрабатывается в квадратный пиксель. К примеру, если пространственное разрешение спутниковых снимков составляет 30 м, объекты размером менее 30 м различить на них невозможно. Чтобы заметить хоть какие-либо детали, необходимо рассматривать что-то гораздо больше 30 м.

В зависимости от расстояния до исследуемого объекта и технических возможностей оборудования, дистанционное зондирование может осуществляться с низким, средним и высоким пространственным разрешением. Например, снимки, полученные невысоко летающими дронами, имеют исключительно высокое разрешение. Однако и спутники, распложенные гораздо дальше от Земли, также способны выполнять космические снимки поверхности планеты с высоким разрешением.

Технология спутникового дистанционного зондирования постоянно развивается, поэтому классификация пространственного разрешения ДЗЗ на низкое, среднее и высокое всего лишь ориентировочна. В 1980-х годах показатель 60 метров на пиксель на спутнике NASA Landsat был относительно высоким, а сегодня эта цифра уже считается чрезвычайно низкой.

Рассмотрим несколько примеров. Сравните эти три спутниковых снимка Джангоха – района в Ташкенте (Узбекистан) и вы поймете, в чем разница. На снимке высокого пространственного разрешения (0,4 м/пиксель) со спутника Kompsat-3A отчетливо видны здания, дороги и даже автомобили, но в большинстве случаев за такой уровень детализации приходится платить. Объекты на снимках низкого (30 м/пиксель) и среднего (10 м/пиксель) разрешения гораздо более размыты, зато эти данные дистанционного зондирования бесплатны.

Разница очевидна. Снимок 0,4 м/пиксель более детализирован, однако для проведения точного пространственного анализа необходимость детализации возникает далеко не всегда. Рассмотрим особенности космических снимков с различных спутников, их практические преимущества и ограничения в использовании.

Среднее И Низкое Пространственное Разрешение ДЗЗ

В настоящее время пользователям доступно множество космических снимков дистанционного зондирования данной категории, в основном со спутников Sentinel и Landsat. Эти данные, полученные на протяжении 50 лет в различных спектральных диапазонах, являются бесплатными и используются в различных контекстах.

Какие же недостатки имеют спутниковые снимки с низким и средним пространственным разрешением? Существенный минус таких изображений только один – отсутствие деталей. Рассмотрим преимущества и недостатки этой категории подробнее.

Большая Коллекция Бесплатных Снимков

Получить доступ к космическим снимкам низкого и среднего пространственного разрешения сейчас легко – онлайн-ресурсов для этого много. Веб-сервис спутниковых данных EOSDA LandViewer предоставляет доступ к восьми бесплатным наборам данных наблюдения Земли. Эти коллекции получены со спутников Sentinel 2, Landsat 8 OLI и TIRS, Landsat ETM+ и MODIS. Различные источники данных ДЗЗ позволяют просматривать, анализировать и загружать свежие спутниковые снимки со следующими характеристиками:

• пространственное разрешение от 10 до 500 м/пиксель;
• временное разрешение (периодичность пролетов) от 2 до 16 дней;
• спектральное разрешение от 4 до 12 диапазонов с возможностью создания их индивидуальных комбинаций.

Данные По Многим Спектральным Диапазонам

Спутниковые снимки низкого и среднего пространственного разрешения содержат важную информацию. Даже несмотря на очевидное отсутствие деталей, многочисленные спектральные диапазоны и их комбинации позволяют извлечь обширные данные. Такие спутниковые снимки предоставляют важную информацию о многих объектах и их свойствах, которые невозможно было бы получить иначе.

Исторические Данные

Наше сегодняшнее достояние спутниковых изображений среднего и низкого пространственного разрешения является прямым результатом работы проекта Landsat, который стартовал более полувека назад. В программе EOSDA LandViewer пользователи могут просматривать и анализировать спутниковые снимки, датированные 1982 годом и позже, а также получить ценную информацию о том, как изменялись исследуемые объекты с течением времени.

Низкая Степень Детализации

Из-за отсутствия деталей на спутниковых снимках низкого и среднего пространственного разрешения можно различить только обширные объекты, такие как мосты, каналы или уличные кварталы. Даже Колизей – а он намного больше вашего дома – будет выглядеть точкой.

Анализ этих плюсов и минусов позволяет сделать вывод, что таких спутниковых снимков будет достаточно для решения задач, не требующих высокой точности.

Высокое Пространственное Разрешение В Дистанционном Зондировании

Самое большое преимущество высокого разрешения по сравнению с низким – это точная детализация. Кроме того, на таких снимках можно просматривать любую нужную территорию в любое нужное время. Однако, спутниковые изображения высокого качества, как правило, дороже и менее доступны для пользователей. Еще одним недостатком спутниковых снимков данной категории является малая зона охвата. Рассмотрим плюсы и минусы этого вида дистанционного зондирования подробнее.

Высокая Степень Детализации

Высокоточные спутниковые снимки позволяют увидеть мельчайшие детали, такие как отдельные деревья, автомобили, здания и многое другое. На платформе EOSDA LandViewer можно выбрать один из восьми наборов данных со спутников – от 5 метров (SPOT 5) до 40 сантиметров (Kompsat-3A).

Просмотр Любого Места В Любое Время По Запросу

Современные коммерческие спутники сделали возможным дистанционное зондирование конкретного места в указанное время. К таким спутниковым снимкам обращаются, если нужные данные ДЗЗ отсутствуют в базе данных государственных спутников, следующих по разрешенным траекториям.

Спутниковое созвездие EOS SAT, первый спутник которого вышел на орбиту в начале 2023 года, сможет обеспечивать обзор территории по запросу клиента через день. Спутниковая группировка EOS SAT позволит изучать природные и антропогенные факторы, трудно поддающиеся оценке с поверхности Земли, а также даст возможность максимально быстро реагировать на изменения и минимизировать последствия катастроф.

Высокая Стоимость Снимков

Спутники с высоким пространственным разрешением оснащены сложными сенсорами^{Charles Toth, Grzegorz Jóźków. Remote sensing platforms and sensors: A survey. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Volume 115, 2016, Pages 22-36, ISSN 0924-2716. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2015.10.004.}, необходимыми для получения снимков нужного качества, поэтому такие данные ДЗЗ находятся в высоком ценовом сегменте. В системе реселлинга, например, на платформе EOSDA LandViewer, космические изображения этой категории можно приобрести дешевле. Пользователи EOSDA LandViewer платят только за ту часть спутникового изображения, которая попадает в их область интереса (AOI). По сравнению с приобретением снимка по полной стоимости, такая покупка выгоднее.

Малая Зона Охвата

Как правило, снимки дистанционного зондирования с более высоким пространственным разрешением фиксируют меньшую площадь Земной поверхности. Следовательно, эти спутниковые данные идеально подходят для целенаправленного наблюдения и изучения объектов. Для охвата территории размером с Лондон потребуется четыре таких снимка, например, со спутников Pleiades-1, Kompsat-3 или SuperView-1, тогда как один снимок низкого разрешения c Landsat 8 отобразит зону в двадцать пять раз больше, чем Лондон.

Меньшая Доступность

Получение спутниковых данных иногда становится затруднительным из-за облачного покрова. При дистанционном зондировании с высоким пространственным разрешением, когда спутники часто отклоняются от заданной траектории, этот фактор имеет решающее значение. В результате высокоточных снимков будет гораздо меньше, чем с низким. Кроме того, история дистанционного зондирования высокого разрешения начинается в 2010 году, а по сегодняшним меркам это довольно короткий срок. По этой причине, такие снимки не являются оптимальным вариантом для тщательного исследования динамики разнообразных явлений и процессов.

Таким образом, ограничения на использование этой категории снимков все же существуют, несмотря на то, что они дают гораздо больше информации о видимых объектах на поверхности Земли. Перед выбором пространственного разрешения в дистанционном зондировании необходимо тщательно взвесить все плюсы и минусы каждого варианта.

Какое Пространственное Разрешение Оптимально Для Вас?

К сожалению, «универсального» варианта не существует. Определиться с затратами на спутниковые снимки помогут ответы на следующие вопросы:

• Какие ресурсы необходимы для реализации вашего проекта?
• Насколько точным должно быть визуальное представление спутниковых данных?
• В каких спектральных диапазонах необходимо получить спутниковые снимки?

Несмотря на то, что низкое и высокое пространственное разрешение спутниковых снимков применяется для съемки одних и тех же областей, дистанционное зондирование в каждом случае проводится с определенной целью. Следовательно, разные отрасли могут использовать преимущества каждого типа спутниковых снимков по-разному.

Использование Снимков Высокого Пространственного Разрешения

Спутниковые снимки 1-5 метров на пиксель или даже менее 1 метра на пиксель (сверхвысокое пространственное разрешение) применяются в областях, требующих максимальной детализации относительно небольших участков, а именно:

• обнаружение вредителей или болезней сельскохозяйственных культур в точном земледелии;
• выявление эрозионных процессов в почве;
• определение границ поля и картирование полей;
• наблюдение за животными и управление животноводством;
• отслеживание обезлесения и управление лесным хозяйством;
• обнаружение региональных аномалий и смягчение их последствий;
• 3D моделирование городов.

Использование Снимков Среднего Пространственного Разрешения

Спутниковые снимки 5-30 метров на пиксель подходят для решения задач, когда необходимо охватить обширные территории и не требуется предельной точности. Примеры применения дистанционного зондирования этого типа следующие:

• мониторинг состояния и развития сельскохозяйственных культур;
• мониторинг содержания влаги и питательных веществ;
• мониторинг плотности растительного покрова;
• обнаружение вредителей и болезней растений;
• оценка снижения биоразнообразия лесов;
• выявление природных аномалий в больших масштабах;
• мониторинг водных объектов;
• анализ расширения городов.

Использование Снимков Низкого Пространственного Разрешения

Несмотря на недостаточную точность, дистанционное зондирование 30-250 метров на пиксель охватывает большую территорию и собирает дополнительную информацию за счет сэмплирования (выборки) спектральных уровней, которые в более точном дистанционном зондировании пропускаются. Области применения космических снимков данной категории включают:

• моделирование развития сельскохозяйственных культур;
• прогнозирование урожайности;
• картирование тенденций;
• обнаружение крупномасштабных аномалий;
• мониторинг изменений инфраструктуры в больших масштабах.

В результате правильный выбор подходящего варианта для каждой задачи способствует более эффективному и доступному ее выполнению.

Пространственное Разрешение Спутников EOS SAT

В январе 2023 года Компания EOSDA осуществила запуск первого спутника собственного созвездия EOS SAT на солнечно-синхронную орбиту. Спутники группировки EOS SAT будут выполнять съемку высокого пространственного разрешения и предоставлять важную информацию об исследуемом объекте в течение 24 часов. Получение этих спутниковых данных завершит полный цикл оказания услуг для сельскохозяйственного сектора.

Технология дистанционного зондирования спутниками EOS SAT предусматривает следующие режимы съемки:

• Панхроматические снимки – 1,4 м/пиксель. Панхроматические снимки объединяют красный, зеленый и синий каналы в один диапазон. Сгенерированные изображения детально отображают объект съемки, несмотря на отсутствие информации о длине волны (цвета).
• Мультиспектральные снимки – 2,8 м/пиксель. Мультиспектральная съёмка EOS SAT включает 13 спектральных диапазонов. Эта комбинация позволяет количественно оценить и проанализировать пространственные закономерности, а также глубже понять многие факторы сельскохозяйственного производства. В частности, использование диапазонов RGB и NIR позволяет определить степень влажности почвы, вегетационные индексы, погодные риски и т. д. Диапазон SWIR применяется при картировании границ полей, анализе землепользования и растительного покрова, классификации сельскохозяйственных культур, мониторинге состояния посевов, прогнозировании урожайности и других целей.

Спутниковые изображения EOS SAT – это идеальное сочетание возможностей применения дистанционного зондирования Земли в агробизнесе и доступной цены. Уникальный набор диапазонов позволит спутникам EOS SAT решать такие сельскохозяйственные задачи, которые не под силу ни одному другому спутнику. Своевременные и высококачественные спутниковые данные станут более доступными для фермеров, которые в результате смогут принимать более эффективные решения. В конечном итоге запуск спутниковой группировки EOS SAT будет способствовать развитию более устойчивого сельского хозяйства в будущем.